人工智能之视觉技术

教学背景

人工智能创意应用是基于人工智能技术，帮助中小学生通过机器学习、算力、算法、数据建模等方式，开发与设计具有创新性应用、具有交互性的人工智能创新创意作品。基于近几年的新冠肺炎疫情，以智能防疫为主题开展了一系列人工智能创意应用项目教学，其中口罩识别是智能防疫的基础入门课程，对于学生理解和运用人工智能技术有很好的启发性。

教学主题

本节课采用项目式学习方式进行，智能识别是否佩戴口罩。在课堂上充分调动学生的自主性，让学生在制作过程中掌握人工智能中模型的训练和调用，了解KNN算法，并运用这些知识完成项目。

实施步骤

项目准备

本项目通过开源硬件实现效果，提供硬件清单如下：掌控板×1，掌控板扩展板×1，小方舟视觉传感器×1（图1）。将小方舟通过连接线连接到掌控板的串口上，其中TX接P1口，RX接P0口。编程软件使用mPython，其中包含了编程需要的各种Python库。

训练模型

小方舟作为视觉传感器要实现检测口罩的任务，需要提前进行模型训练，让小方舟通过学习训练1个完整的模型，之后调用该模型就可实现口罩检测任务。

小方舟训练模型采用KNN算法，该算法也叫邻近算法，或K最邻近（KNN，K-Nearest Neighbor）分类算法，是数据挖掘分类技术中最简单的方法之一。所谓K最邻近，就是K个最近的邻居，意指每个样本都可用它最接近的K个邻近值代表。邻近算法是将数据集合中每一个记录进行分类的方法，其原理为：从所有的训练样本中找出与未知最近的K个样本，将K个样本中出现最多的类别赋给未知样本。

比如，一只鹰在农场长大，不知道自己是什么种类，如果在它生活的环境里有鸡和鹰，那么它会认为自己是鹰还是鸡呢？

假设图2中绿色的圆代表从小生活在农场里的鹰，蓝色正方形代表生活在它附近的鸡，红色三角形代表生活在它附近的其他鹰，那么从小就生活在农场里的鹰会认为自己是鹰还是鸡呢？这取决于它心里的“K”，如果K为1，它周边围有3只鹰，1只鸡，它会认为自己是鹰；如果K为3，它周边有7只鸡，4只鹰，那么它会认为自己是鸡。可见，环境对认知的影响非常重要。

小方舟内置了KNN算法，学生只需调用即可。代码如下：

刷入代码后，小方舟界面会出现“物体学习”字样（图3）。

通过掌控板的A、B按键进行学习，其中A键表示类别，按1下A键表示学习第1个类别，再按1下A键表示学习第2个类别，以此类推，代码如下：

B键表示进行学习，将该分类下的多张图片让小方舟学习，学习1张按1下B键。代码如下：

几个分类学习完后，再按一下A键表示训练完成，此时小方舟会出现“训练中……”字样（图4）。

训练结束，小方舟识别到戴口罩的人脸出现Mask字样，识别到没有戴口罩的人脸出现Nomask字样，后面都会跟一串数字，数字表示识别的精准度，数字越小说明识别越精准。

调用模型

训练完成就可以调用这个模型，过程如下：初始化小方舟，调用模型分类器“traffic”，如果精准度小于10，说明已经识别到了人脸，再根据返回的ID执行操作。其中Mask的ID为0，Nomask的ID为1。代码如下：

总结反思

人工智能教育是提升学生人工智能素养的泛学科教育，旨在培养学生理解和掌握人工智能的知识、原理，体验和实践人工智能技术，并运用技术尝试创造性地解决实际问题的能力。但由于其涉及到的知识面较多，对于学生而言学习难度太大，容易打消他们学习的积极性，因此，在中小学人工智能教育中不妨放弃那些复杂的原理和理论，轻装上阵，以项目体验的方式，借助各种开源的软硬件进行实现，学生在收获成就感的同时，也激发了学习兴趣，可为未来的真正的人工智能学习奠定基础。